go-to-topgo-to-top

Главная Статьи Светодиодная эволюция
Светодиодная эволюция PDF  

Конец 20-го века ознаменовался революционные изменениями в технологиях освещения. Твердотельные источники света, или светодиоды, уже прочно заняли свое место в  секторе монохромного освещения, найдя свое применение в автомобильных тормозных фонарях, светофорах, дорожных знаках, вывесках и указателях.

Изучение нововведений в этой области становится год от года все актуальнее и более необходимо. Последние достижения базовой полупроводниковой технологии позволяют светодиодам в скором времени составить серьезную конкуренцию существующим источникам белого света. Вдобавок к долговечности и низкому энергопотреблению, они обладают целым рядом преимуществ перед существующими на сегодняшний день и широко используемыми источниками света. Небольшие размеры делают спектр их применения необычайно широким. Несколько светодиодов, объединенных в одну форму, способны заменить обычную лампу накаливания: расположенные по прямой, они могут освещать большие площади по периметру и т.д.

Как источники света для наружного и декоративного освещения, они обладают рядом уникальных достоинств, среди которых точная направленность света и  возможность управления цветом и интенсивностью излучения. Все это позволяет предположить, что наступившее третье тысячелетие станут по праву называть эрой светодиодной техники.

Эволюция светодиодов – от индикаторов до источников света

Ни один из источников освещения не может "похвастаться" такой колоритной историей, широким спектром применения и стремительным развитием технологии  как светодиоды.

Первые светодиоды появились в 1962 году, а в 1968 – первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto и первый дисплей от Hewlett-Packard. Световой поток их был слабым, всего 0,001 лм и цвет - только красный.

К 1976 году были получены оранжевые, желтые и желто-зеленые светодиоды, яркие настолько, что их можно было разглядеть и при солнечном свете. До 1985 года они использовались исключительно в качестве индикаторов, со световым потоком всего лишь 0,1лм на одну точку.

С 1985 года их световой поток увеличился до 1-100 лм, и они уже стали применяться в качестве отдельных световых элементов, таких, например, как лампы в автомобилях.

В 1990 году светоотдача полупроводников достигла уже 10 лм/Вт, что позволило им стать адекватной заменой лампам накаливания.

Получение светодиодов со все большей световой эффективностью становится возможным за счет поиска и использования новых материалов с большей светоотдачей и цветовым спектром. Первым появились светодиоды (GaAlInP) с цветами от красного до желто-зеленого и светоотдачей 20 лм/Вт.

В 1993 году японская корпорация Nichia объявила об открытии высокоэффективного материала голубого цвета – нитрида галлия (GaN). Это означало, что теперь светодиоды освоили практически весь видимый цветовой спектр. Это существенно расширяло области их применения и делало возможным создание белого света путем комбинирования красных, зеленых и голубых светодиодов.

Для того, чтобы осуществить прорыв на рынок общего освещения, требующего от источников световой поток порядка 1000 лм и выше, необходимо добиться дополнительного увеличения световой эффективности зеленых, и, особенно, синих светодиодов. Строить прогноз для эффективности белых светодиодов довольно сложно. Когда она достигнет уровня 50 лм/Вт, светодиоды уже могут считаться реальной заменой ламп накаливания и галогенных, но еще рано говорить о люминесцентных лампах и лампах высокой интенсивности (HID). Если же продолжать работы в этом направлении и дальше, то светоотдача полупроводников вырастет еще в несколько раз и через пару десятилетий превысит светоотдачу люминесцентных ламп более чем в 2 раза. Такой оптимистический прогноз базируется на примере красных светодиодов, чья эффективность еще в конце 80-х была лишь 5 лм/Вт, а сегодня – почти 75 лм/Вт:

Таблица 1. Эволюция и прогноз использования светодиодов в различных сферах за период 1970 –2020 гг.

с
в
е
т
о
о
т
д
а
ч
а

10000

белый свет с высокой светоотдачей (2010-е)

Для общего освещения

1000

белый свет с низкой светоотдачей (2000-е)

Для специальных целей

10

Автомобильные фонари (1990-е)

1

наружные телеэкраны (1990-е)

0,1

наружные экраны (1980-е)

0,01

индикаторы (1970)

0,001

Заметим, что на долю освещения приходится около 16% всей производимой в стране электроэнергии. Можно выделить 3 основных сектора потребителей электроэнергии – промышленный сектор, коммерческий (общественный) сектор и жилой сектор. Так выглядят потребности каждого из секторов в освещении:

Таблица 2. Потребление электроэнергии на освещение.

Сектор

Доля освещения в потребляемой сектором электроэнергии, %

Ежегодное увеличение потребления электроэнергии на освещение, %

Промышленный

6,3

0,9

Коммерческий

28,6

0,1

Жилой

11,4

1,5

Увеличение световой эффективности существующих ресурсов освещения позволит производить необходимое количество света, уменьшая при этом потребность в электроэнергии.

Каковы же эволюционные тенденции рынка освещения сегодня? Из приведенного ниже графика, видим, что светодиоды не только "набрали" солидные обороты за последние десятилетия, но и имеют стойкую тенденцию к дальнейшему развитию.

Рис.1. Сравнение существующей и прогнозируемой эффективности различных видов освещения.

Характерно то, что низкоэффективные лампы накаливания затрачивают электричество для нагревания вольфрамовой нити, которая кроме света производит еще и тепло. Люминесцентные лампы, хотя и эффективнее ламп накаливания почти в 6 раз, используются в освещении жилых помещений не так широко, как лампы накаливания по причине неадекватной восприимчивости света человеческим глазом и  дороговизны. Галогенные лампы могут составить конкуренцию лампам накаливания, но, тем не менее, массовое их использование ограничено рядом причин, в том числе и высокой ценой. Что касается светодиодов, максимальная эффективность которых еще не достигнута, потенциально они могут претендовать на значительную долю рынка освещения в течение следующих 15-20 лет.

Однако, использование различных по эффективности источников света неоднородно в зависимости от групп потребителей. Коммерческий и промышленный секторы используют большее количество высокоэффективных источников освещения, нежели жилой. Например, в количестве света, потребляемом коммерческим сектором, доля ламп накаливания составляет 5,2 %, люминесцентных – 79,8% и высоко интенсивных (HID) – 15.1%. Суммарно, доля высокоэффективных источников составляет 94,8% потребляемого коммерческим сектором освещения. Для сравнения, жилой сектор гораздо больше света получает от низкоэффективных ламп накаливания, а доля люминесцентного и других высокоэффективных источников света составляет всего 13%:

Таб. 3 Доля использования высокоэффективных источников излучения для различных секторов

Сектор

Процент количества света (люменов), получаемых от источников света высокой эффективности

Промышленный

94,8

Коммерческий

94,8

Жилой

13,0

Источники света: сравнительный анализ

Существуют два основных вида электрических источников света – лампы накаливания и газоразрядные лампы, среди которых главное место занимают люминесцентные лампы. В быту традиционно наиболее распространены лампы накаливания (рис.2), в которых свет испускает металлическая проволочка (нить), раскаленная добела проходящим по ней током. В бытовых осветительных приборах применяются лампы накаливания мощностью от 15 до 300 Вт, рассчитанные на напряжение 220 или 127 В. Срок службы ламп накаливания любого назначения около 750 - 1000 часов, при условии, что напряжение в электрической сети не превосходит указанного на лампе (220 или 127 В). Если же напряжение в сети в силу каких-то причин является повышенным или время от времени повышается даже на короткие промежутки времени, лампа может быстро выйти из строя. С учетом этих обстоятельств, промышленность выпускает, наряду с обычными, также лампы, рассчитанные на повышенное напряжение. Его величина тоже указывается на колбе лампы, например, 235—245 В. Лампа накаливания общего назначения

 

Рис. 2  Лампа накаливания общего назначения

Типичная бытовая лампа накаливания (общего назначения) состоит из следующих частей): нити накала в виде спирали из вольфрамовой проволочки, стеклянного баллона (который откачивается и заполняется инертным газом) и цоколя, который является объединяющей и силовой деталью лампы и имеет контакты для подключения нити накала к электропитанию.

Достоинства лампы накаливания:

  • низкая начальная стоимость лампы и необходимого для нее оборудования
  • компактность, благодаря которой она хорошо подходит для регулирования светового потока
  • надежная работа при низких температурах и довольно высокий при ее размерах световой выход

К недостаткам же, способным при некоторых обстоятельствах"перевесить" достоинства, относятся:

  • низкий световой КПД, только 5% энергии преобразуется в свет, остальные 95% - в тепло
  • высокая рабочая температура
  • заметные колебания светового выхода при изменениях напряжения питания
  • недолговечность

Люминесцентные лампы

Рис. 3. Люминесцентные лампы

применяются для освещения общественных и производственных помещений, таких, как медицинские, образовательные учреждения, вокзалы, учреждения, цеха и т.д.

Люминесцентные лампы состоят из следующих основных деталей: стеклянного баллона, двух цоколей (с выводными контактами) на обоих концах баллона и двух подогревных катодов (электронных эмиттеров) из вольфрамовой нити или стальной трубки. Баллон наполнен парами ртути и инертным газом (аргоном); на внутренние стенки баллона нанесено люминофорное покрытие, преобразующее ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимый свет.   Лампа действует следующим образом. Электрод на одном из концов лампы испускает электроны, которые с большой скоростью летят вдоль лампы, пока не произойдет столкновение со встретившимся атомом ртути. При этом они выбивают электроны атома на более высокую орбиту. Когда выбитый электрон возвращается на прежнюю орбиту, атом испускает ультрафиолетовое излучение. Последнее, проходя через люминофор, преобразуется в видимый свет.

Достоинства люминесцентных ламп:

  • высокая световая отдача (до 80 лм/Вт)
  • большая долговечность.

Недостатки люминесцентных ламп:

  • относительная громоздкость
  • необходимость в специальном пускорегулирующем устройстве (стартере и дросселе)
  • чувствительность к температуре окружающего воздуха (при температуре ниже +10°С лампа может не зажечься) <
  • наличие стробоскопического эффекта. Этот эффект вызывается частыми (100 раз в секунду) не уловимыми для глаза миганиями люминесцентной лампы в такт колебаниям переменного тока в электрической цепи. В результате у человека создается нарушение правильного восприятия скорости движения предметов, вызываются неприятные ощущения.
  • при неправильном включении (без защитных конденсаторов в пускорегулирующем устройстве) люминесцентные лампы становятся источниками помех для радиоприемников и телевизоров
  • обязательная утилизация ламп как ртутьсодержащие отходы после использования.

Светодиод (СИД) - это полупроводник. Его принцип работы основан на явлении электролюминесценции-холодного свечения возникающего при протекании тока. Состав материалов, образующих p-n переход определяет тип излучения.

Светодиоды - новые технологии рынка освещения

К преимуществам светодиодов  можно отнести:

  • низкое энергопотребление – не более 10% от потребления при использовании ламп накаливания
  • долгий срок службы – до 100 000 часов
  • высокий ресурс прочности – ударная и вибрационная устойчивость
  • долгий срок службы – до 100 000 часов
  • чистота и разнообразие цветов, направленность излучения
  • регулируемая интенсивность
  • низкое рабочее напряжение
  • экологическая и противопожарная безопасность.  Они не содержат  в своем составе ртути и почти не нагреваются.
  • К недостаткам светодиодов можно отнести их более высокую стоимость по сравнению с другими источниками освещения. Однако  надо понимать, что вышеуказанные достоинства с лихвой оправдывают вложенные затраты.
  • Таким образом, систематизируем результаты проведенного сравнительного анализа по следующим критериям:

Таблица 4. Сравнение различных типов освещения по базовым характеристикам

Тип лампы

Начальная стоимость

Расходы за период  эксплуатации

Жизненный цикл лампы, часы

Яркость

Инфракрасное излучение

УФ- излучение

Лампа накаливания

Низкая

Очень высокие

1 000

средняя

Очень высокое

Приемлемое

Лампа люминесцентная

Высокая

Приемлемые

10 000

Низкая

Минимальное

Очень высокое

Лампа светодиодная

Очень высокая

Низкие

Более 100 000

высокая

Нет

нет

Таблица 5. Рейтинг различных источников освещения

Рейтинг

Категории сравнения

Начальная стоимость

Расходы за период  эксплуатации

Жизненный цикл лампы

Яркость

Инфракрасное излучение

УФ-излучение

Лучшие

Лампы накаливания

Светодиоды

Светодиоды

Светодиоды

Светодиоды

Светодиоды

Средние

Люмине-
сцентные

Люмине-
сцентные

Люмине-
сцентные

Лампы накаливания

Люмине-
сцентные

Лампы накаливания

Худшие

Светодиоды

Лампы накаливания

Лампы накаливания

Люмине-
сцентные

Лампы накаливания

Люмине-
сцентные

Таким образом, из приведенных выше таблиц заключаем, что светодиоды за счет низкого расхода финансовых средств в течение периода эксплуатации, длительного жизненного цикла, высокой яркости, отсутствия инфракрасного и УФ излучений, являются лидерами в рейтинге прочих источников освещения.

Сравнение с лампами накаливания и люминесцентными лампами

Постоянно растущие потребности человечества в освещении требуют увеличения производства электроэнергии. Для этого необходимы дополнительные капиталовложения на строительство электростанций, выработку месторождений энергоносителей и последующую утилизацию растущих отходов производства. Вопрос об альтернативных высокоэффективных источниках освещения, способных удовлетворить спрос на освещение, не наращивая при этом производства и затрат на электроэнергию стоит очень остро.

Главными условиями новых источников являются небольшой размер ламп, долговечность и низкое энергопотребление. Именно светодиоды, отвечающие всем этим требованиям, считаются основным претендентом на замену лампам накаливания и люминесцентным.   В то время, как все существующие на сегодняшний день источники освещения достигли своей максимальной световой эффективности, светодиоды приблизились только к 10% своих возможностей.

Светодиоды - новые технологии рынка освещенияПодобное заключение основано на фундаментальных принципах  физической теории полупроводников.  В предыдущем параграфе мы уже достаточно подробно анализировали преимущества и недостатки различных источников света, поэтому остановимся, с нашей точки зрения, на наиболее ключевых моментах. Основными преимуществами светодиодов перед  лампами накаливания является долгий срок службы, более высокий световой выход, безопасность, отсутствие нагревания. Светодиоды испускают чистый белый свет, в то время как лампы накаливания излучают  и в  инфракрасном спектре. Почти 95% электричества, потребляемого лампами накаливания, уходит в тепло, поэтому для помещений, в которых используется большое количество ламп накаливания, требуется проводить дополнительные работы по кондиционированию  и охлаждению воздуха. Лампы накаливания потребляют на 80% больше электроэнергии, чем светодиоды,  для них требуется высокое напряжение.

Сравнивая светодиоды с люминесцентными лампами нельзя говорить однозначно о преимуществе первых. На сегодняшний момент световая эффективность белых светодиодов вдвое меньше, чем у люминесцентных ламп, а цена  - выше. Здесь в первую очередь следует учитывать тот факт, что для большинства случаев, где применяются в настоящее время люминесцентные лампы, по техническим показаниям и условиям эксплуатации  выгоднее и безопаснее использовать именно светодиодное освещение.  К примеру, в угледобывающих шахтах используются так называемые "взрывобезопасные" люминесцентные лампы, которые работают от напряжения в 127В. Если происходит бросок напряжения (рядовой случай для забоев и шахт), люминесцентная лампа гаснет немедленно.  Точно так же ведут себя лампы при любом отклонении от норм эксплуатации – при тряске или понижении температуры  воздуха.

Светодиоды - новые технологии рынка освещенияКроме того, использованные люминесцентные лампы после завершения срока эксплуатации должны быть подвергнуты обязательной утилизации,  как ртутьсодержащие отходы (РСО). Для справки: ежегодно в России  на 1 млн. населения приходится около 80 000 отработанных люминесцентных ламп (или 16 тонн РСО). Стоимость утилизации 1 т РСО составляет 300 долларов США.  Нетрудно подсчитать, что ежегодные расходы только на утилизацию люминесцентных ламп для России должны составлять сумму порядка 700 000 долларов.

На практике срок службы люминесцентных ламп и особенно ламп накаливания оказывается короче срока, указанного изготовителем. Это объясняется тем, что зачастую условия их эксплуатации не соответствуют нормативам – если меняется напряжение в сети или температура окружающего воздуха, либо же осветительные приборы подвергаются неожиданным механическим воздействиям, лампы перегорают или бьются гораздо чаще, чем можно предполагать. Светодиоды, как твердотельные источники света, не содержат стекла, нитей накаливания или сменных деталей, их невозможно разбить, и они не чувствительны к любым изменениям в электросетях.

Анализ предпочтений в выборе источников света различными потребителями

Как бы то ни было, для жилого сектора потребителей главным аргументом в пользу выбора источника освещения является его начальная цена. Перспектива будущей экономии средств на обслуживание и электроэнергию является для них  мало убедительной. Этим объясняется такой малый процент участия ламп с высокой эффективностью в общем освещении жилых объектов. Использование светодиодного освещения в этом секторе может иметь место только при наличии у потребителя таких специфических требований к освещению, как направленность светового потока и чистота цвета. Только в таких случаях высокая начальная стоимость светодиодных ламп не играет существенной роли.

В то же время, промышленный и коммерческий секторы, где в основном применяется люминесцентное освещение, наоборот заинтересованы в приобретении более экономичных и долговечных источников света высокой эффективности. Деятельность этих секторов рассчитана на перспективу и поэтому снижение расходов на обслуживание, безопасность и низкие энергетические затраты имеют первостепенное значение, закладываются в долгосрочные проекты и влияют на прибыль в целом.

Изменение световой эффективности

Светодиоды - новые технологии рынка освещенияПрименение одноцветных светодиодов в наружном и декоративном освещении получило широкое распространение за последние 2 десятилетия. Благодаря развитию этой отрасли удалось добиться качественного роста их световой эффективности и здесь прослеживается устойчивая тенденция к росту. Следующим шагом в этом направлении логически должно стать увеличение светового выхода полупроводников до уровня конкурентоспособности с источниками общего освещения.

Вопрос прихода светодиодов на рынок общего освещения и потенциальная доля его участия  являются одним из наиболее обсуждаемых, делаются различные предположения по поводу цен и экономической эффективности. Очевидно, что главным критерием, определяющим этот процесс, является величина капитальных вложений в развитие технологии, от этого зависит темп и величина роста световой эффективности и изменение стоимости светодиодов.

Для того, чтобы определить зависимость между суммой инвестиций, светоотдачей, ценой на светодиоды и экономическим эффектом от замены светодиодами ламп накаливания и люминесцентных  ламп, лабораторией Sandia National Laboratories (США)была построена следующая модель.

Структура модели изображена на рис. 5. В то время, как использование освещения традиционно измеряется числом потребляемых КВт*часов, конечный потребитель заинтересован в получении максимального количества люменов света. Общая потребность в освещении рассчитывается исходя из:

А) предполагаемой потребности в электроэнергии для каждого из трех секторов,

Б) предполагаемого соотношения различных типов освещения в этих секторах,

В) предполагаемой световой эффективности различных типов ламп.

Например, лампа накаливания мощностью 100 Вт, обладая эффективностью 15 лм/Вт, будет производить 1500 лм света. То же количество света будет произведено люминесцентной лампой мощностью 20 Вт. Потребность в электроэнергии для каждого из трех секторов приведена в таблице 2, а эффективность используемых в секторах световых источников – в таблице 3.

Модель увеличения доли светодиодов на рынке общего освещения при условии инвестиций в технологические разработки

Рис. 5. Модель увеличения доли светодиодов на рынке общего освещения при условии инвестиций в технологические разработки.

В настоящей модели доля светодиодов на рынке общего освещения является функцией от их эффективности. Как только эффективность пойдет вверх, а цены – вниз, доля светодиодов на рынке начнет возрастать. Когда ее величина достигнет 10%, скорость  распространения увеличится.

Трудно прогнозируемая цена на светодиоды целиком и полностью определяет спрос на них. Как правило, производственные затраты начинают снижаться по мере того, как отрабатывается технология, приобретается определенный опыт и увеличивается объем производства. Как это было в случае с компьютерными чипами, увеличение объемов производства повлекло за собой снижение производственных расходов и розничных цен, что немедленно отразилось на увеличении спроса, включая разработку новых продуктов, для которых требовались дешевые чипы. В случае со светодиодами предполагается аналогичное повышение спроса на них при уменьшении цены.

Таким образом, в описываемой модели доля светодиодов на рынке общего освещения для простоты приведена в прямую зависимость от их стоимости. В этом, кстати, состоит и слабое место предположений, т.к. если стоимость светодиодов будет падать не так быстро, как предсказывается, то и  распространение светодиодов будет происходить много медленнее.

Для начала сравнивается общая потребность в электроэнергии для 2-х случаев – при освещении традиционными источниками и при освещении традиционными источниками и светодиодами. По итогам сравнения вычисляется потенциальная выгода от замещения светодиодами существующих ламп различной эффективности.

Общий спрос на освещение в 1995 году приведен в таблице 6, наряду со  средней эффективностью существующих  технологий освещения. Предположительно, 14,9% от всего количества освещения в 1995 году приходится на долю низкоэффективных источников со средней эффективностью 15 лм/Вт, которая останется неизменной на время действия модели. Высокоэффективные лампы производили в 1995 году остальные 84,1% света. Их светоотдача вырастет с 85 лм/Вт в 1995 году до 90 лм/Вт в 2025 г.

Таблица 6. Потребность в освещении в 1995 году в США

млрд. клм*ч,
1995 г.

Эффективность, лм/Вт,
1995 г.

Эффективность, лм/Вт,
2025 г.

Низкоэффективные источники

4, 219

15

15

Высокоэффективные источники

28, 332

85

90

Как уже говорилось ранее и иллюстрировалось в рис.1, самой большой неопределенностью в прогнозировании потенциальной доли светодиодов на рынке общего освещения является уровень, до которого возможно повысить их световую эффективность. Средств, уже затраченных и вновь инвестируемых в дальнейшие работы с монохромными светодиодами хватит, по крайней мере, для того, чтобы начать исследования в области белого цвета. В 2000 году эффективность белых светодиодов равнялась 20 лм/Вт и в течение 10 лет ее возможно довести до уровня 45 лм/Вт.

По мнению авторов модели, величина и скорость изменения эффективности светодиодов зависит от капитальных вложений в исследования следующим образом. Предположительно, чтобы светоотдача смогла превысить уровень в 45 лм/Вт, необходим объем инвестиций порядка 1 млрд. долларов. После того, как суммарный объем инвестиций достигнет 1 млрд. долларов, эффективность начнет линейно возрастать от 45 лм/Вт и в течение последующих 10 лет достигнет величины 200 лм/Вт. Эти предположения базируются на многочисленных научных изысканиях и дискуссиях о том, какой максимальной эффективности светодиодов можно добиться и какое финансирование необходимо для этого.

Хотя, даже если и не произойдет вышеупомянутый прорыв в сторону сверхэффективности, светодиоды постепенно начнут занимать все большую нишу среди источников света низкой световой эффективности, таких как лампы накаливания и галогенные лампы. В случае отсутствия крупных инвестиций, это произойдет через 10 лет после того, как совокупный объем вложений достигнет 500 млн. долларов:

tm, н.э.= t500 + 10

Для высокоэффективных источников освещения момент конкуренции с светодиодами наступит через 10 лет после того, как суммарный объем инвестиций в технологию достигнет 1 млрд. долларов:

tm, в.э. = t1000 +10

В денежном выражении потребность в монохромном освещении составляла в 2000 году 400 млн. долларов. 4 крупнейших сегмента этого рынка составляют наружные экраны, дорожное освещение, автомобильные огни и декоративное (архитектурное) освещение. Три крупнейшие компании LumiLeds/Phillips, Osram/Cree, and GELcore/Uniroyal/GE, так называемая "Большая Тройка", в 2000 году контролировали 50% этого рынка в США. Предположительно, "Большая тройка" затратила в 2000 году 50-70 млн. долларов на разработки и исследования. Разумеется, было бы некорректным относить всю сумму инвестированного в исследования капитала только на долю белого цвета. На долю белых светодиодов приходится 6% средств, затраченных на исследования монохромных.

В итоге, улучшение эффективности светодиодов прямо пропорционально объему финансовых вложений в технологию. Есть 2 сценария развития – "слабое" инвестирование и масштабное (см. рис. 6), на уровне федеральной целевой программы.

Первый инвестиционный сценарий предполагает, что "Большая Тройка"  вкладывает в исследования сумму, эквивалентную 10% от общей прибыли, из них на долю белого света придется 6%.  В 2007 году прибыль составит 10% от всего оборота,

Прибыль растет, стартуя с текущего уровня 400 млн. долларов, на 15% ежегодно до 2007 года, пока  не достигнет величины 10% от всего оборота. Соответственно, в 2000 году сумма вложений в исследования составит 12 млн. долларов, и вырастет к 2010 году до 49 млн. долларов. Совокупная величина инвестиций достигнет 1 млрд. долларов к 2017 году.

Второй инвестиционный сценарий предполагает, что государство принимает решение о целевом финансировании исследований в области светодиодной технологии в размере 500 млн. долларов, по 50 млн. долларов ежегодно, начиная с 2002 года. Сумма государственных инвестиций - 500 млн. долларов. В то же время "Большая Тройка" увеличивает свою долю  в инвестициях до 60 -110 млн. долларов в год, вкладывая приблизительно 1 млрд. долларов за 10 лет. Таким образом, совокупная величина инвестиций достигнет отметки 1 млрд. долларов уже в 2008 году, т.е. на 9 лет раньше, чем в предыдущем сценарии.

Изменение светоотдачи белых светодиодов при 2-х инвестиционных сценариях

Рис. 6. Изменение светоотдачи белых светодиодов при 2-х инвестиционных сценариях

Для того, чтобы занять долю от 10%  до 90% от всего рынка освещения светодиодам потребуется: 6 лет для вытеснения низкоэффективных источников освещения и 8 лет – для высокоэффективных. Логично, что для  утверждения в секторе высокой эффективности потребуется больше времени – высокоэффективные лампы традиционно обладают большим сроком службы и поэтому заменяются не так часто.

Изменение цен на светодиоды

Светодиодное освещение является достаточно дорогим на сегодняшний день, и пока не произойдет зримого снижения цен, светодиоды не смогут конкурировать с другими видами общего освещения и претендовать на сколько-нибудь весомую роль на этом рынке. Как уже говорилось ранее, в данной модели цена светодиодов является функцией, изменяющейся в зависимости от изменения их световой эффективности.

Предположительно, снижение цены будет происходить двумя фазами. Первая фаза, так называемая "фаза, предшествующая коммерческому использованию", имеет отношение к периоду исследований и демонстрации. На примере других энергетических технологий доказано, что во время первой фазы цена снижается на 20% (см. рис. 7) при каждом удвоении эффективности. За этой фазой следует  "фаза подъема", во время которой технология проходит апробацию различных способов применения. В течение этой фазы цена падает в два раза меньшей степени, чем в первой, т.е. на 10% при каждом удвоении эффективности.

Прогноз изменений стоимости светодиодов до 2020 г.

Рис. 7. Прогноз изменений стоимости светодиодов до 2020 г.

Таким образом, за период исследований цена на светодиоды уменьшится на 20% после каждого удвоения их эффективности. Вторая фаза начнется после того, как светодиодам будет принадлежать 2% от общей массы освещения - с этого момента цена будет падать на 10% при каждом удвоении эффективности.

Прогноз дальнейшего развития рынка освещения

Если исключить приход на рынок светодиодных источников освещения, то общая потребность в электроэнергии возросла бы на 16,5%, от 490 млрд. КВт*ч в 1995 году до 571 млрд. КВт*ч в 2025 году.  Чтобы удовлетворить растущие потребности в электричестве для освещения, потребуется увеличить производственные мощности приблизительно на 58,7 ГВ, и ежегодную выработку энергоносителей на 97 млн. тонн (уголь).

Потребность в электроэнергии для освещения в 1995-2025 г.г., 1-й инвестиционный сценарий

Рисунок 8.  Потребность в электроэнергии для освещения в 1995- 2025 г.г., 1-й инвестиционный сценарий

Потребность в электроэнергии для освещения в 1995-2025 г.г., 2-й инвестиционный сценарий

Рисунок 9. Потребность в электроэнергии для освещения в 1995- 2025 г.г., 2-й инвестиционный сценарий

Таблица 7.  Результаты инвестиционных сценариев

1 вариант

2 вариант

Потребность в электроэнергии
для освещения, млрд. КВт*ч

531

404

ежегодная экономия

40

167

совокупная экономия

82

1 233

Доля светодиодов в
производстве освещения, %

16

49

Высвобожденная мощность, МВт

4 107

17 671

Экономия, млрд. долларов

ежегодная экономия

3

12

совокупная экономия

6

87

Попытаемся проанализировать результаты развития 2-ух инвестиционных сценариев (см. рис. 8,9 и табл. 7). В случае инвестирования по первому сценарию, светодиоды не смогут занимать значительную долю рынка освещения в течение следующих 25 лет, т.к. их эффективность достигнет уровня 45 лм/Вт только в 2017 году. По количеству производимого света, светодиоды могут претендовать только на  16 % от общего количества освещения. Потребление электроэнергии освещением составит в 2025 году 552 млрд. КВт*ч,  а ее экономия составит в этом случае 40 млрд. КВт*ч. Общее снижение потребления электричества после 2025 года будет составлять 82 млрд. КВт*ч, в денежном выражении на долю светодиодов ежегодно будет приходиться  2,8 млрд. долларов экономии.

В случае инвестирования по второму сценарию, средняя светоотдача светодиодов достигнет 160 лм/Вт к 2017 году, позволяя им конкурировать также с люминесцентными лампами. По сравнению  с первым сценарием инвестирования, доля светодиодов приблизится к 49% от общего количества производимого света. В результате этого ежегодно будет экономиться 167 млрд. КВт*ч электроэнергии, или порядка 11,8 млрд. долларов денег потребителей. Совокупная экономия будет составлять к 2025 году 86,9 млрд. долларов. Сэкономленная мощность в 2025 году составит 17,2 ГВт что эквивалентно 29 новым электростанциям по 600 МВт.

В таблице 8 сравнивается прогнозируемая конечная стоимость и расходы на эксплуатацию светодиодов с другими источниками

Таблица 8. Изменение стоимости ламп и расходов на эксплуатацию для различных источников освещения по результатам 2-х инвестиционных сценариев

Мощность, Вт

Эфф.
Лм/Вт

Цена за лампу,
$

Жизненный цикл, ч.

Цена, цент/Клм*ч

Экспл. расходы,
цент/Клм*ч

Расходы всего

Лампы накаливания

75

15

0,75

1 000

0,067

0,47

0,536

Компактные люминесцентные

18

60

12

10 000

0,111

0,117

0,229

Люминесцентные

32

80

7

20 000

0,014

0,068

0,102

Светодиоды ( 2000 г.)

-

20

121

100 000

0,121

0,352

0,473

Светодиоды ( 2010 г.)1-й инвест. сценарий

-

45

47

100 000

0,047

0,157

0,204

Светодиоды ( 2020 г.) 1-й инвест. сценарий

-

80

13

100 000

0,013

0,126

0,139

Светодиоды ( 2010 г.) 2-й инвест. сценарий

-

45

29

100 000

0,029

0,157

0,186

Светодиоды ( 2020 г.) 2-й инвест. сценарий

-

160

13

100 000

0,013

0,044

0,057

Таким образом, расходы на эксплуатацию для люминесцентных ламп в настоящий момент являются самыми низкими – порядка 10 центов за 1 КВт*ч. Основываясь на прогнозируемой эффективности светодиодов, можно говорить о том, что их эксплуатация дешевле, чем у ламп накаливания. В случае инвестиций по второму сценарию, светодиоды смогут конкурировать с компактными люминесцентными лампами уже в 2010 году и будут гораздо дешевле люминесцентных в 2020 году.

По прошествии последнего десятилетия светодиоды прочно укрепились в определенных областях монохромного освещения, таких как, автомобильные фонари, наружные видеоэкраны, дорожные знаки и светофоры. Продолжающийся прогресс технологии позволяет утверждать, что в недалеком будущем белые светодиоды будут способны составить серьезную конкуренцию существующим источникам общего освещения.

Скорость, с которой они будут завоевывать рынок, зависит от нескольких факторов, таких, как световая эффективность, цены и широкое их признание. Цель данного исследования – дать прогноз потенциальной доле светодиодов в общем освещении по сравнению с традиционными видами ламп, основываясь на различных допущениях по поводу их потенциальной световой эффективности.

Поначалу применение белых светодиодов будет ограничено областями, обычными для низкоэффективных источников света, такими, как, например, подсветка. По мере увеличения светового потока светодиоды начнут вытеснять лампы накаливания и галогенные источники.  В зависимости от того, какой степени эффективности они при этом достигнут, будет продолжаться их дальнейшее продвижение в сферы применения высокоэффективных ламп – люминесцентных и HID.

Потенциально, световая эффективность белых светодиодов может возрасти к 2028 году до 200- 210 лм/Вт, что в 3 раза превышает данные для самых эффективных из существующих на сегодняшний день люминесцентных ламп. Если будет осуществлено финансирование целевой исследовательской программы на государственном уровне, к 2025 году на долю светодиодов будет приходиться половина всего производимого в США освещения. При этом предполагаемое снижение затрат на электроэнергию составит 11,8 миллиардов долларов.

Заметим, что в своей статье мы затронули, лишь некоторые аспекты данной проблематики и данная актуальнейшая тема требует дальнейших глубоких проработок и исследований.

Список используемой литературы:

  1. Thomas Drennen, Roland Haitz, Jeffrey Tsao, A Market Diffusion and Energy Impact Model for Solid-State Lighting SAND2001-2830J.
  2. Energy Information Administration. 2000a. Annual Energy Review 2000, U.S. Department of Energy, July 2000.
  3. Fisher, J. and R. Pry. 1971. A simple substitution model of technological change.Technological Forecasting and Social Change 3, 25-88.
  4. Grubler, A., N. Nakicenovic, and D. Victor. 1998. Dynamics of energy technologies and global change. Energy Policy 27, 247-280.
  5. Haitz, R., F. Kish, J. Tsao, and J. Nelson. 1999. The Case for a National Research Program on Semiconductor Lighting, presented at the 1999 Optoelectronics Industry Development Association Forum, Washington, DC, October 6, 1999.
  6. Sezgen, O. and J. Koomey. 1998. Interactions Between Lighting and Space Conditioning Energy Use in U.S. Commercial Buildings, Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL-39795, April 1998.
  7. Vorsatz, D., L. Shown, J. Koomey, M. Moezzi, A. Denver, and B. Atkinson. 1997. LightingMarket Sourcebook for the U.S. , Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL-39102, December 1997